錢永春 喬萬亮

（黑龍江省綏化水文局，黑龍江 綏化152050）

1 概述

此前發(fā)表在2014 年《東北水利水電》雜志第7 期上的《呼蘭河法在冰期水文資料整編中的應(yīng)用》一文，該文只是在大、中河流研究基礎(chǔ)上獲得的結(jié)論，他從一個側(cè)面反映了冰期臨時曲線變化的規(guī)律和特點，也就是說，該方法僅適用于冰期無底冰、無冰上流水冰情現(xiàn)象時的大、中河流，對于小河常出現(xiàn)冰上流水等現(xiàn)象時就不適用了。

至于冰期出現(xiàn)上述冰情現(xiàn)象的中、小河流是否也能采用這種方法？此文正式針對這一方面問題進(jìn)行了研究和探索，同時也是對呼蘭河法的應(yīng)用范圍進(jìn)行再擴(kuò)大。最終實現(xiàn)冰期有效水位與流量關(guān)系曲線在水文資料整編定線中的全面應(yīng)用。

目前，冰期水流變化穩(wěn)定封凍一般緩慢，而非穩(wěn)定封凍期復(fù)雜。冰期資料整編定線都還是使用過程線法，尤其是中、小河流更是使用流量過程線法較多。在實測流量不能完全控制水流變化過程的前提下，使用過程線法定線整編精度較低。假如采用相關(guān)法定線整編，將會獲得更高的精度提升。

2 概念的提出與計算

2.1 廣義有效水位

定義：某斷面或某點的水位與其以下的冰厚之差，就稱之為該斷面或某點的廣義有效水位。這里的冰厚有兩方面涵義，一是指通常的水浸冰厚（包括層冰層水的冰厚）和冰花厚；另一是指河底冰厚。也就是說，該冰厚是包括水面以下所有的不流動的冰厚和冰花厚等，也可以定義水下冰厚為水浸冰厚，這個水浸冰厚概念不是一般以往所說的概念了，賦予了它新的內(nèi)涵，或稱廣義水浸冰厚。過去講的有效水位實際上是屬于狹義有效水位，因此，廣義有效水位就是水位與對應(yīng)的廣義水浸冰厚的差。相對之下，概念的內(nèi)涵得到了豐富，這樣對于有效水位應(yīng)用的一些限制條件就完全得到解除。下文提到的有效水位均指廣義有效水位。

2.2 有效水位計算公式

有效水位計算這里是指實測流量相應(yīng)有效水位的計算。

有效水位計算大體分為兩種情況：一是冰期河流等水體的某一過水?dāng)嗝娲嬖谒虮ɑ驅(qū)颖鶎铀缺?；另一是具有水底冰或冰上流水等冰情。也可能多種冰情間而有之，下面給出綜合斷面有效水位計算式：

式中：Zy- 有效水位/m；Z- 水位/m；- 斷面平均水浸冰厚/m；- 斷面平均冰花厚/m- 斷面平均水底冰厚/m。

3 計算斷面平均水底冰厚

對于中、小河流來說，一個冰期過程大致可分為這樣：冰期開始是微冰、岸冰、流冰、封凍直至出現(xiàn)連底凍，隨后待到春季冰雪融化開始出現(xiàn)冰上流水至終冰結(jié)束。至于正常的水浸冰厚計算這里就不贅述了[1]，該文僅以冰上流水為例來進(jìn)行水底冰厚計算。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面確定

水位流量關(guān)系穩(wěn)定的前提是測驗斷面具有相對穩(wěn)定性，也就是斷面控制，如果河底變化時常抬高或時常下降幅度很大，那么水位與流量的關(guān)系肯定不會很好。基于上述原因，那就需要確定一個標(biāo)準(zhǔn)的相對穩(wěn)定的斷面或河段。在發(fā)生連底凍之前，水流是處于冰蓋以下原河底以上，若是經(jīng)過連底凍之后再發(fā)生冰上流水，這時由于底冰的存在而河底被顯著抬高。在此情況下，為了保持有效水位在整個冰期的一致性，需要確定以原河底為標(biāo)準(zhǔn)的一個相對穩(wěn)定斷面。

具體操作是：將靠近發(fā)生連底凍以前的那次實測流量數(shù)據(jù)為河底處的斷面高程數(shù)據(jù)，涉及到兩岸的部分河底高程采用之前較近的一些測次數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)斷面高程數(shù)據(jù)，即根據(jù)冰底邊向兩岸推算河堤高程。

3.2 斷面平均水底冰厚

對于冰上流水，已知實測過水?dāng)嗝婷娣e（這里也是有效斷面面積）和水面寬，利用水面寬各個部分間對應(yīng)的起點距，從標(biāo)準(zhǔn)斷面圖上查得河底高程以水位減之，就可利用這些相當(dāng)于原斷面處的水深數(shù)據(jù)，計算該水位下的原斷面面積數(shù)值。原斷面面積與實測斷面積的差值再除以水面寬就得到斷面平均水底冰厚。其公式如下：

4 有效水位推求過程

有效水位分兩部分：一部分是相對實測流量的相應(yīng)有效水位；另一部分是對應(yīng)水位系列的瞬時有效水位。通過實測流量以及包括利用公式（2）等計算所得到的斷面平均水浸冰厚[1]和相應(yīng)水位，利用公式（1）就可計算相應(yīng)有效水位。

瞬時有效水位計算，根據(jù)一個完整冰期的實測斷面平均水浸冰厚變化，點繪實測過程線圖，將各實測點以平滑曲線相連接，就建成實測斷面平均水浸冰厚過程線（見圖1）。以瞬時水位的各個時間結(jié)點就可查讀其水浸冰厚值。同樣地利用公式（1）就可以計算瞬時有效水位（見圖1）。

5 有效水位與流量相應(yīng)關(guān)系曲線

圖1 有效水位及綜合過程線圖

以有效水位為自變量，分別給出以流量、面積、流速為函數(shù)的關(guān)系式，則

式中：Qt- t 時刻的相應(yīng)斷面流量/ m3/s；At- t 時刻的相應(yīng)斷面面積/ m2；Vt- t 時刻的相應(yīng)斷面平均流速/m/s；Zy,t- t時刻的相應(yīng)有效水位/m。通過定線發(fā)現(xiàn)：有效水位流量和有效水位流速與暢流期沒什么差別，而面積線出現(xiàn)了一些特殊性，表現(xiàn)為在不同時期各自符合基本線型，而把一個過程的各時期線型統(tǒng)一起來看，具有明顯的疊加性（見圖2）。

6 結(jié)論

有效水位這一概念延伸到廣義有效水位，這是利用某水文站具有冰上流水冰情、水情現(xiàn)象開始著手研究得出的結(jié)論，目的是擴(kuò)大呼蘭河法在冰期水文資料整編中的應(yīng)用范圍。即對提高冰期資料整編精度，也同時把暢流期定線與冰期定線有機(jī)地結(jié)合起來，對全面加強(qiáng)冰期水文資料整編質(zhì)量，脫離一些低級的整編方法，提供一個很重要的參考。

圖2 有效水位～流量、面積、流速相關(guān)曲線圖

通過此次進(jìn)一步研究，廣義有效水位與流量相關(guān)曲線的創(chuàng)建及應(yīng)用，在冰期水文資料整編中，既得到了充分證明，又能進(jìn)一步拓展到中、小河流的水文資料整編。